Способ для управления прямым преобразователем переменного тока, электронное устройство управления для этого, прямой преобразователь переменного тока и компьютерная программа

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в ветроэнергетических установках. Технический результат - обеспечение максимально эффективного долговременного функционирования прямого преобразователя. Способ управления прямым преобразователем переменного тока, который выполнен с возможностью соединения первой трехпроводной сети (30) с второй трехпроводной сетью (31), и имеет шесть последовательно соединенных ветвей (32, 33, 34, 35, 36, 37) и накопители (9, 11) энергии, включает в себя способ управление (41) работой преобразователя переменного тока, посредством которого управляется перенос энергии от первой трехпроводной сети (30) к второй трехпроводной сети (31) и обратно согласно критериям потребности в энергии, предложения энергии и/или реактивной мощности, причем способ включает в себя способ регулирования (42) содержания энергии, с помощью которого соответствующая электрическая величина энергии, накопленная в соответствующей ветви (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока, или электрический параметр, характеризующий электрическую величину энергии, регулируется в заданный номинальный диапазон. Раскрыт также прямой преобразователь и машиночитаемый носитель с компьютерной программой. 4 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к способу управления преобразователем переменного тока, который выполнен с возможностью соединения первой трехпроводной сети с второй трехпроводной сетью. Прямой преобразователь имеет шесть последовательно соединенных ветвей преобразователя с накопителями энергии, согласно дополнительным признакам родового понятия п. 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к электронному устройству управления для такого преобразователя переменного тока согласно п. 13 формулы изобретения, к преобразователю переменного тока согласно п. 14 формулы изобретения, а также к компьютерной программе согласно п. 15 и 16 формулы изобретения.

В общем, изобретение относится к управлению прямым преобразователем переменного тока (инвертором), выполненным в форме так называемого гекса-инвертора, то есть в форме выполнения, в которой шесть ветвей преобразователя включены последовательно, и всего шесть проводов первой и второй трехпроводной сети соответственно подключены к точкам соединения между двумя ветвями преобразователя. Такое выполнение модульного прямого преобразователя переменного тока уже было предложено в неопубликованной заявке DE 10 2010 013 862. Такой гекса-инвертор имеет преимущество, заключающееся в том, что по сравнению с обычными матричными компоновками их девяти ветвей преобразователя требуемое количество модулей и тем самым затраты на аппаратные средства снижаются на треть, не оказывая негативного влияния на производительность. По сравнению с последовательными компоновками (M²LC-топология) с 12 ветвями преобразователя количество модулей может быть уменьшено наполовину.

Отдельные ветви преобразователя могут при этом, частично или полностью, иметь накопители энергии, например, в форме конденсаторов или перезаряжаемых батарей (аккумуляторов). Ветвь преобразователя может при этом выполняться, например, из одного единственного так называемого мостового модуля, как поясняется ниже более подробно на примерах выполнения. Предпочтительны также последовательные соединения таких мостовых модулей, чтобы образовать ветвь преобразователя, так как достигаются преимущества в отношении возможностей регулирования, избыточности и содержания высших гармоник в выходных напряжениях и токах. Поэтому понятие «ветвь преобразователя» охватывает отдельный мостовой модуль или последовательное соединение нескольких мостовых модулей.

Обсуждаемый прямой преобразователь переменного тока в форме гекса-инвертора является новой конструкцией, так что существует потребность в возможно более эффективном управлении гекса-инвертором. Известные способы для управления прямыми преобразователями переменного тока оптимизированы на другие схемные топологии.

Поэтому задачей изобретения является предложить способ для управления прямым преобразователем переменного тока в форме обсуждаемого гекса-инвертора, который обеспечивает возможность максимально эффективного долговременного функционирования прямого преобразователя переменного тока. Кроме того, должно быть предложено подходящее устройство управления и прямой преобразователь переменного тока, а также компьютерная программа для выполнения способа.

Эта задача решается способом управления прямым преобразователем переменного тока, который выполнен с возможностью соединения первой трехпроводной сети с второй трехпроводной сетью, причем прямой преобразователь переменного тока имеет шесть последовательно соединенных ветвей преобразователя переменного тока, в которых предусмотрены накопители энергии, причем этот способ включает в себя способ управления работой преобразователя переменного тока, посредством которого управляется перенос энергии от первой трехпроводной сети к второй трехпроводной сети и обратно согласно критериям потребляемой энергии, предложения энергии и/или реактивной мощности, причем этот способ содержит способ регулирования содержания энергии, с помощью которого соответствующая электрическая энергия, накопленная в соответствующей ветви преобразователя переменного тока, или электрический параметр, характеризующий электрическую величину энергии, регулируется в заданный номинальный диапазон.

Изобретение имеет преимущество, состоящее в том, что содержание энергии в отдельных ветвях преобразователя переменного тока выравнивается и тем самым сглаживается. Это обеспечивает возможность эффективного долговременного функционирования системы преобразователя переменного тока. За счет этого исключаются вхолостую работающие накопители энергии, а также перенапряжения в случае уже заполненных накопителей энергии. За счет предотвращения перенапряжений компоненты могут работать в щадящем режиме или предотвращается их разрушение. За счет исключения работы вхолостую обеспечивается непрерывная готовность к регулированию отдельных мостовых модулей в каждой ветви преобразователя в любой момент времени, так что прямой преобразователь переменного тока в любой момент времени может предоставлять желательные выходные напряжения и токи.

Изобретение пригодно, например, для связывания крупных ветроэнергетических установок с мощностью более 10 МВт с сетью энергоснабжения.

Другое преимущество изобретения заключается в том, что для выравнивания содержания энергии в накопителях энергии не требуются никакие дополнительные элементы аппаратных средств. Способ может, например, быть реализован путем расширения управляющего программного обеспечения имеющегося модуля управления преобразователя переменного тока.

Первая и/или вторая трехпроводная сеть может быть, например, сетью трехфазного тока. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения первая трехпроводная сеть является питающей сетью, а вторая трехпроводная сеть - энергопотребляющей сетью, к которой могут подключаться потребители энергии.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения способ для регулирования содержания энергии осуществляет регулирование реактивной энергии, генерируемой прямым преобразователем переменного тока в первой трехпроводной сети и/или второй трехпроводной сети. Оказалось, что посредством такого управления реактивной мощностью технически простым способом регулирования может быть реализовано надежное выравнивание содержания энергии в накопителях энергии ветвей преобразователя переменного тока. При этом согласно предпочтительному варианту осуществления реактивная мощность регулируется таким образом, что реактивная мощность, отдаваемая в первую трехпроводную сеть, соответствует реактивной мощности, отдаваемой во вторую трехпроводную сеть. Реактивная мощность, отдаваемая в первую или вторую трехпроводную сеть, регулируется посредством средства управления мостовых модулей в отдельных ветвях преобразователя переменного тока. Регулирование реактивной мощности на идентичные значения в обеих трехпроводных сетях имеет преимущество, заключающееся в том, что сдвиги энергии, возникающие между соответственно двумя соседними ветвями преобразователя переменного тока, могут минимизироваться.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения способ регулирования энергии управляет контурным током, который протекает в круговой форме по всему последовательному соединению шести ветвей преобразователя переменного тока, и/или разностным напряжением нулевой точки в соединении звездой, которое возникает между нулевыми точками в соединении звездой первой и второй трехпроводной сети. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что соответствующее изобретению выравнивание количества энергии в накопителях энергии также может быть реализовано в случаях применения, в которых регулирование реактивной мощности в трехпроводных сетях является непрактичным, так как реактивные мощности ввиду внешних условий заданы и не могут произвольно изменяться. При этом с выгодой могут использоваться особые свойства гекса-инвертора, который позволяет в принципе свободную установку контурного тока и разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой независимо от соответствующей ситуации переноса энергии между двумя трехпроводными сетями. Разностное напряжение нулевой точки в соединении звездой может при этом свободно выбираться по меньшей мере в том диапазоне, в котором это допустимо для подключенных нагрузок.

Так, может, например, контурный ток и/или разностное напряжение нулевой точки в соединении звездой запоминаются как постоянный ток или постоянное напряжение. Это особенно предпочтительно в случаях применения, в которых постоянная разность потенциалов допустима между нулевыми точками в соединении звездой, например, при подключении прямого преобразователя переменного тока к трансформатору или незаземленному относительно его обмоток генератору и в других свободных от потенциала применениях.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения контурный ток устанавливается как постоянный ток, и разностное напряжение нулевой точки в соединении звездой как постоянное напряжение. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что произведение из требуемого контурного тока и требуемого разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой настолько мало, насколько возможно, чтобы минимизировать возникающий сдвиг в энергии между ветвями преобразователя переменного тока. За счет минимизации требуемого максимального напряжения на отдельных ветвях преобразователя переменного тока или требуемого тока в отдельных ветвях преобразователя переменного тока может применяться меньше компонентов или могут применяться меньшие компоненты, за счет чего затраты могут быть выгодным образом снижены.

Также является предпочтительным запоминать контурный ток и/или разностное напряжение нулевой точки в соединении звездой как переменный ток или переменное напряжение. Это особенно предпочтительно, если обе нулевые точки в соединении звездой не могут продолжительно иметь разность потенциалов относительно друг друга, как, например, при связи с сетью без трансформатора.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения прямой преобразователь переменного тока соединен с одной из обеих трехпроводных сетей через трансформатор. Это обеспечивает возможность установки разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой, не вызывая синфазного тока. Таким способом обеспечивается возможность применения разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой и контурного тока как постоянных величин, благодаря чему можно минимизировать затраты на аппаратные средства для прямого преобразователя переменного тока и достичь преимуществ по стоимости.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения запоминаются контурный ток и разностное напряжение нулевой точки в соединении звездой, которые синфазны или противофазны и совпадают по частоте друг с другом, причем частота отличается от обеих частот первой и второй трехпроводной сети. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что определенные компоненты прямого преобразователя переменного тока, как, например, величина возможно требуемого синфазного фильтра, например, может быть уменьшена посредством выбора высокой частоты. Тем самым прямой преобразователь переменного тока может быть создан более экономичным образом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения на уже существующее согласно вышеописанному способу напряжение разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой накладываются составляющие напряжения в сетевой частоте первой трехпроводной сети. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения на уже существующее согласно вышеописанному способу напряжение разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой накладываются составляющие напряжения в сетевой частоте второй трехпроводной сети. Тем самым составляющие напряжения могут накладываться только с одной частотой или двумя частотами, а именно соответствующей сетевой частотой первой и второй трехпроводной сети. Составляющие напряжения в разностном напряжении нулевой точки в соединении звездой на частоте первой трехпроводной сети и составляющие напряжения на частоте второй трехпроводной сети обеспечивают возможность, вместе с вышеописанным взаимодействием вышеописанных постоянных или отличных от сетевой частоты составляющих разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой и контурного тока, обмена энергией между любыми ветвями прямого преобразователя переменного тока. Это, например, целесообразно, если, наряду с зависимым от рабочей точки сдвигом энергии, в отдельных ветвях возникают различные потери, что может иметь место на основе допусков изготовления применяемых компонентов или отклоняющихся краевых условий при работе прямого преобразователя переменного тока. Таким образом, возможно особенно гибкое согласование регулирования энергии с практически любыми случаями применения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения на уже существующий согласно вышеописанному способу контурный ток накладываются токовые составляющие в сетевой частоте первой трехпроводной сети. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения на уже существующий согласно вышеописанному способу контурный ток накладываются составляющие тока в сетевой частоте второй трехпроводной сети. Составляющие тока в контурном токе на частоте первой трехпроводной сети и составляющие тока на частоте второй трехпроводной сети обеспечивают возможность, вместе с вышеописанным взаимодействием или вышеописанными постоянными или отличающимися от сетевой частоты составляющими разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой и контурного тока, обмена энергией между любыми ветвями прямого преобразователя переменного тока. Это, например, целесообразно, если, наряду с зависимым от рабочей точки сдвигом энергии, в отдельных ветвях возникают различные потери, что может иметь место на основе допусков изготовления применяемых компонентов или отклоняющихся краевых условий при работе прямого преобразователя переменного тока. Таким образом, возможно особенно гибкое согласование регулирования энергии с практически любыми случаями применения.

Также является предпочтительной комбинация названных способов.

Вышеуказанная задача, кроме того, решается посредством электронного устройства управления для прямого преобразователя переменного тока, которое выполнено с возможностью осуществления способа вышеописанного типа.

Указанная задача решается, кроме того, с помощью прямого преобразователя переменного тока с устройством управления вышеописанного типа.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения накопитель энергии выполнен как конденсатор или имеет конденсатор. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения накопитель энергии выполнен как батарея или имеет батарею. Батарея согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения выполнена как перезаряжаемая батарея. Посредством применения батареи, способность к накоплению энергии прямого преобразователя переменного тока дополнительно повышается, так что долговременно энергия может накапливаться промежуточным образом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения прямой преобразователь переменного тока является бестрансформаторным прямым преобразователем переменного тока для соединения первой трехпроводной сети с второй трехпроводной сетью посредством имеющих электронные полупроводниковые переключатели мостовых модулей, причем прямой преобразователь переменного тока имеет шесть мостовых модулей или их последовательные соединения, со следующими признаками:

а) первый мостовой модуль или первое последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к первому проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к первому проводу второй сети электропитания,

b) второй мостовой модуль или второе последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к второму проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к второму проводу второй сети электропитания,

с) третий мостовой модуль или третье последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к второму проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к второму проводу второй сети электропитания,

d) четвертый мостовой модуль или четвертое последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к третьему проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к второму проводу второй сети электропитания,

е) пятый мостовой модуль или пятое последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к третьему проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к третьему проводу второй сети электропитания,

f) шестой мостовой модуль или шестое последовательное соединение мостовых модулей подключено, с одной стороны, к первому проводу первой сети электропитания, а с другой стороны, к третьему проводу второй сети электропитания.

Прямой преобразователь переменного тока обеспечивает изящным образом и с низкими схемно-техническими затратами простую и экономичную связь и прямое преобразование переменного тока между двумя трехпроводными сетями. В качестве трехпроводной сети при этом понимается любое электрическое соединение электрического или электронного компонента через три линии энергоснабжения, как, например, электродвигательный привод, сеть энергоснабжения или электрический генератор. С помощью соответствующего изобретению прямого преобразователя переменного тока, например, возможна связь электродвигательного привода с сетью энергоснабжения или электрического генератора с сетью энергоснабжения. Разумеется, изобретение также охватывает связь двух сетей энергоснабжения друг с другом.

С помощью описываемой топологии можно, по сравнению с прямым преобразователем переменного тока согласно уровню техники, достичь более простой и более экономичной структуры. Там, как упоминалось, требуется компоновка из по меньшей мере девяти мостовых модулей или их последовательных соединений. Посредством предложенной топологии из шести мостовых модулей или их последовательных соединений возможно, таким образом, уменьшение затрат на аппаратные средства по меньшей мере на треть при тех же функциональных возможностях. При применении соответственного большего числа мостовых модулей в последовательном соединении к тому же полностью отпадает потребность в соответствующих входных и выходных фильтрах. Областями применения предложенной топологии являются, например, большие регулируемые по скорости приводы, генераторы с переменным числом оборотов, а также область сетевых соединений с встроенной компенсацией реактивной мощности.

Прямой преобразователь переменного тока может иметь последовательное соединение множества мостовых модулей. Применение последовательного соединения множества мостовых модулей обеспечивает возможность повышенной гибкости относительно установки выходного напряжения. К тому же повышается отказоустойчивость, так как множество мостовых модулей имеют определенную избыточность. Так, можно, например, при внутреннем дефекте мостового модуля последовательного соединения, например дефекте в конденсаторе промежуточного контура или батарее, этот мостовой модуль полностью шунтировать посредством полномостовой схемы. Обусловленная этим потеря мощности может быть скомпенсирована остальными мостовыми модулями последовательного соединения за счет того, что посредством соответствующего управления электронными полупроводниковыми переключателями мостовых модулей на каждый мостовой модуль устанавливается соответственно повышенное выходное напряжение.

В предпочтительном выполнении изобретения применяются идентичные мостовые постоянные напряжения на всех мостовых модулях. При соответственно большом количестве мостовых модулей возможна точная установка результирующего выходного напряжения последовательного соединения таких мостовых модулей.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения могут применяться мостовые модули с различными мостовыми постоянными напряжениями. Тем самым могут применяться мостовые модули с различными номинальными напряжениями. Понятие «номинальное напряжение» описывает максимально допустимое со стороны компонентов мостовое постоянное напряжение. Это допускает относительно устанавливаемых выходных напряжений отдельных мостовых модулей различные диапазоны напряжений. За счет этого получается улучшенная гибкость относительно дискретных устанавливаемых значений напряжения последовательного соединения множества мостовых модулей. По сравнению с применением идентичных мостовых постоянных напряжений во всех мостовых модулях, тем самым при меньшем количестве мостовых модулей уже возможна точная установка результирующего выходного напряжения последовательного соединения мостовых модулей.

За счет этого можно предпочтительным образом по типу последовательно аппроксимирующего цифро-аналогового преобразователя комбинировать выходное напряжение последовательного соединения посредством комбинации различных значений напряжения различных мостовых модулей. Например, можно повышать номинальные напряжения от мостового модуля к мостовому модулю, соответственно, в коэффициент 2, что обеспечивает возможность регулируемости выходного напряжения последовательного соединения согласно двоичной системе. Согласно другому примеру применяется, соответственно, несколько мостовых модулей, в которых мостовые постоянные напряжения или номинальные напряжения различаются относительно друг друга, во всяком случае, с малыми различиями. Если используются мостовые постоянные напряжения, например, 600 В и 800 В в последовательном соединении, то наименьшая регулируемая ступень напряжения снижается до 800 В-600 В=200 В.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один мостовой модуль имеет следующие признаки:

а) мостовой модуль имеет первый и второй выводы для соединения с проводом сети энергоснабжения или выводом другого мостового модуля,

b) мостовой модуль имеет четыре полупроводниковых переключателя в полномостовой схеме,

с) первый и второй выводы мостового модуля соединены с противолежащими точками подключения полномостовой схемы,

d) мостовой модуль имеет конденсатор, который соединен с другими противолежащими друг другу точками подключения полномостовой схемы.

При этом полномостовая схема допускает переменным образом множество регулируемых схемных состояний, например схему прямого соединения между первым и вторым выводом мостового модуля (шунтирование мостового модуля) или заряд или разряд конденсатора с соответственно желательной полярностью, выбираемой посредством полупроводникового переключателя. Посредством соответствующего управления полупроводниковым переключателем с помощью устройства управления, которое, например, выдает модулированные по длительности импульса выходные сигналы, возможен заряд или разряд конденсатора с относительно точной градацией.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения по меньшей мере один мостовой модуль имеет следующие признаки:

а) мостовой модуль имеет батарею,

b) мостовой модуль имеет управляемый преобразователь постоянного напряжения, одна сторона подключения которого подключена параллельно конденсатору, а к второй стороне подключения которого подключена батарея.

Это позволяет изящным способом и с малыми схемно-техническими затратами подсоединять батарею в прямой преобразователь переменного тока. С помощью батареи или множества батарей при применении множества мостовых модулей может интегрироваться бесперебойное электропитание при малых затратах. При использовании прямого преобразователя переменного тока в сети электропитания можно таким образом реализовать, например, предоставление минутного резерва для стабилизации сети. Посредством батарей мостовых модулей возможна буферизация энергоснабжения в зависимости от выполнения батарей также для более длительного промежутка времени, например, в течение времени пониженной генерации энергии ветроэнергоцентра. Сопоставимым образом можно устройство энергоснабжения на солнечных батареях предпочтительно связать с помощью упомянутого устройства с трехфазной сетью. Предпочтительным образом можно посредством батарей осуществлять промежуточное накопление энергии для промежутков времени с недостаточным солнечным светом или ночью.

Батареи предпочтительно выполнены как заряжаемые батареи, например как никель-металлгидридные аккумуляторы, свинцовые аккумуляторы или литий-полимерные аккумуляторы. Разумеется, могут также использоваться и другие типы аккумуляторов.

Такое выполнение мостовых модулей позволяет мостовое постоянное напряжение мостового модуля, выработанное с помощью батареи, поддерживать постоянным независимо от напряжения батареи, а именно посредством соответствующего управления преобразователем постоянного напряжения. Тем самым также можно при падающем напряжении батареи поддерживать постоянное выходное напряжение. В качестве мостового модуля в этой связи должна пониматься любая пространственная и конструктивная компоновка названных элементов, независимо от того, собраны ли элементы, например, в одном корпусе или расположены распределенным образом. Например, батарея может располагаться отдельно от остальных элементов мостового модуля. В предпочтительном варианте осуществления изобретения батарея конструктивно встроена в мостовой модуль.

Дополнительным преимуществом является то, что пульсация потребляемой мощности или протекающего через мостовой модуль тока может, по существу, развязываться относительно батареи. Возможно, по существу, постоянное протекание тока через батарею, то есть высокочастотные составляющие в сети энергоснабжения могут быть удалены. Это повышает потенциальный срок службы батарей.

Предпочтительным образом может использоваться последовательное соединение мостовых модулей. Тем самым можно избегать прямого последовательного соединения большого числа батарей. Интеграция множества батарей возможна тогда через множество мостовых модулей, которые, соответственно, имеют свою собственную батарею. Это исключает схемно-технические затраты на отдельные схемы балансировки или заряда/разряда для батарей и снижает тем самым общие схемно-технические затраты.

Предпочтительным образом напряжение батарей выбирается с учетом мостового постоянного напряжения или номинального напряжения соответствующего мостового модуля. Тем самым можно избегать больших коэффициентов преобразования преобразователя постоянного напряжения, и кпд оптимизируется. В случае различных номинальных напряжений в мостовых модулях преобразователя переменного тока различаются между собой тогда также напряжения применяемых батарей.

Дополнительным преимуществом является то, что возможно отключение мостового модуля посредством полной мостовой схемы. Так, можно, например, при дефектном силовом полупроводнике осуществлять отключение мостового модуля в последовательном соединении мостовых модулей. Посредством оставшихся мостовых модулей можно, несмотря на отказ мостового модуля, продолжать поддерживать постоянным выходное напряжение последовательного соединения.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что мостовой модуль, батарея которого дефектна, может далее оставаться в работе. Во временном среднем модуль с дефектной батареей хотя и не поставляет энергию, однако он может использоваться, чтобы повышать напряжение через последовательное соединение мостовых модулей во время части сетевого периода, и помогает, таким образом, снижать требуемый для отказоустойчивого режима работы преобразователя переменного тока расчет с запасом номинального напряжения отдельных мостовых модулей.

Посредством обоих названных мер могут создаваться особенно отказоустойчивые системы бесперебойного электропитания или системы преобразователей переменного тока.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что посредством преобразователя постоянного напряжения могут компенсироваться различные уровни напряжения батареи, которые устанавливаются в зависимости от состояния заряда. Тем самым мостовой модуль может генерировать желательное постоянное выходное напряжение. За счет этого даже при применении мостовых модулей в схеме последовательного соединения, например в преобразователе переменного тока, может поддерживаться постоянное напряжение в трехпроводной сети. Дополнительное преимущество состоит в том, что предусматриваемый в известных преобразователях переменного тока расчет с запасом относительно количества модулей или напряжения батареи более не требуется, так как при отказе одного мостового модуля или батареи мостового модуля отсутствующее напряжение может компенсироваться соответствующим повышением выходных напряжений и, при необходимости, мостовых постоянных напряжений остальных мостовых модулей.

При соответствующем расчете преобразователя постоянного напряжения можно в принципе также создать устройство при меньшем количестве мостовых модулей или батарей по сравнению с бесперебойным электропитанием согласно уровню техники. Тем самым можно реализовать особенно экономичные бесперебойные системы электропитания.

В зависимости от требований безопасности и надежности, в предпочтительном выполнении последовательное соединение мостовых модулей может проектироваться с самого начала с запасом, то есть может предусматриваться большее количество мостовых модулей или батарей, чем было бы необходимо для достижения желательного выходного напряжения. Таким образом, предусматриваются избыточные мостовые модули. Желательное выходное напряжение может осуществляться посредством понижающего преобразования мостовых постоянных напряжений отдельных мостовых модулей посредством их мостовых схем. Так как каждый отдельный модуль должен предоставлять, таким образом, меньше энергии, за счет этого, с одной стороны, батареи используются щадящим образом. К тому же при отказе большого количества мостовых модулей может поддерживаться желательное выходное напряжение. За счет этого может также повышаться отказобезопасность всего устройства, например, по отношению к чисто последовательному соединению батарей.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения преобразователь постоянного напряжения выполнен с возможностью обеспечения выходного напряжения на конденсаторе, которое, в зависимости от выполнения и управления преобразователем постоянного напряжения, может регулироваться для установки выше, ниже или равным напряжению батареи. Применение такого управляемого преобразователя постоянного напряжения обеспечивает большую гибкость при применении мостового модуля или множества мостовых модулей и управления их выходным напряжением. Преобразователь постоянного напряжения может быть выполнен как чисто повышающий преобразователь (выходное напряжение выше или равно напряжению батареи), чисто понижающий преобразователь (выходное напряжение ниже или равно напряжению батареи) или как комбинированный повышающе-понижающий преобразователь. Предпочтительным является использование повышающего преобразователя, так как для этого, с одной стороны, требуется меньше компонентов, чем для комбинированного повышающе-понижающего преобразователя, а с другой стороны, требуется меньшее напряжение батареи, что снижает потенциальную потребность в возможностях балансировки.

Согласно предпочтительному дальнейшему варианту осуществления изобретения преобразователь постоянного напряжения является двунаправленным преобразователем постоянного напряжения. Тем самым можно не только в одном направлении предоставлять энергию для мостового постоянного напряжения на связанном с конденсатором выходе преобразователя постоянного напряжения, но и дополнительно также батарею с напряжением, выведенным от связанной с конденсатором стороны преобразователя постоянного напряжения, заряжать напряжением заряда, подходящим для соответствующего состояния батареи. Дополнительно также определенный разряд батареи через двунаправленный преобразователь постоянного напряжения является управляемым, например, с целью формования батареи.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения преобразователь постоянного напряжения имеет полумост с двумя электронными полупроводниковыми переключателями. Предпочтительным образом могут применяться полупроводниковые переключатели того же типа, что и для полномостовой схемы. Это обеспечивает возможность простой и экономичной структуры преобразователя постоянного напряжения из малого количества компонентов и тем самым экономичной структуры всего мостового модуля.

В предпочтительном дальнейшем варианте осуществления изобретения предусмотрены электронные полупроводниковые переключатели в форме трехфазного IGBT-модуля. В качестве IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) обозначают четырехслойный полупроводниковый компонент, который управляется посредством затвора. IGBT являются дальнейшим развитием мощных MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-окисел-полупроводник). На стороне выхода IGBT имеют P-N-полупроводниковые переходы. Таким образом, IGBT является комбинацией из полупроводникового компонента на полевом эффекте и биполярного полупроводникового компонента. IGBT в технике энергоснабжения часто применяются в форме модулей с тремя полумостами, то есть шестью IGBT-полупроводниковыми переключателями. Поэтому такие модули могут быть получены простым и экономичным способом. Изобретение показывает изящный способ, как эффективным образом использовать имеющиеся в трехфазном IGBT-модуле шесть полупроводниковых переключателей или три полумоста для построения мостового модуля.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения последовательно с мостовым модулем или последовательным соединением мостовых модулей включен по меньшей мере один дроссель. Дроссель осуществляет за счет его свойства накопления энергии сглаживание характеристики тока, протекающего через мостовой модуль или последовательное соединение мостовых модулей.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения в последовательном соединении мостовых модулей предусмотрен блок управления, чтобы отключать распознанный как дефектный мостовой модуль. Отключение может осуществляться посредством шунтирования выводов мостового модуля посредством его полупроводникового переключателя. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения блок управления выполнен с возможностью отключать распознанную в качестве дефектной батарею мостового модуля. Отключение может осуществляться, например, посредством полупроводникового переключателя преобразователя постоянного напряжения. Блок управления может представлять собой ассоциированный с мостовым модулем блок управления, вышестоящий блок управления для множества мостовых модулей или центральный блок управления для всего прямого преобразователя переменного тока.

Вышеуказанная задача, кроме того, решается компьютерной программой со средствами программного кода, которая выполнена с возможностью осуществления способа вышеописанного типа, когда компьютерная программа выполняется на вычислителе. Вычислитель может быть, например, микропроцессором или микроконтроллером упомянутого электронного устройства управления для прямого преобразователя переменного тока или управляющим компьютером установки преобразователя переменного тока.

Указанная задача также решается компьютерной программой со средствами программного кода, которые сохранены на машиночитаемом носителе, выполненными с возможностью осуществления способа вышеописанного типа, когда компьютерная программа выполняется на вычислителе.

Изобретение далее описывается более подробно на примерах осуществления с применением чертежей, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - мостовой модуль в первой форме выполнения,

Фиг. 2 - мостовой модуль во второй форме выполнения,

Фиг. 3 - прямой преобразователь переменного тока в форме гекса-инвертора,

Фиг. 4 - прямой преобразователь переменного тока согласно фиг. 3 с устройством управления и

Фиг. 5 и 6 - регулятор содержания энергии в схематичном представлении.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции применяются для соответствующих друг другу элементов.

Гекса-инвертор может выполняться с мостовыми модулями без батареи или с мостовыми модулями с батареей, причем также возможны смешанные конструкции. Со ссылкой на фиг. 1 сначала описывается мостовой модуль с батареей. Приведенное описание также в принципе подходит и для мостового модуля без батареи, описанного со ссылками на фиг. 2, причем там буферная функция батареи отсутствует.

Фиг. 1 показывает мостовой модуль 1, который пригоден в качестве устройства для присоединения по меньшей мере одной батареи к сети энергоснабжения. Мостовой модуль 1 имеет внешние выводы: первый вывод 2 и второй вывод 3. Выводы 2, 3 являются внешними соединениями мостового модуля 1 с сетью энергоснабжения, другими мостовыми модулями ветви преобразователя переменного тока и иными конструктивными элементами. Мостовой модуль 1 имеет полномостовую схему 4 с четырьмя электронными полупроводниковыми переключателями 5, 6, 7, 8. Между двумя противолежащими точками 16, 17 подключения полномостовой схемы 4 подключен биполярный конденсатор 9. Остальные две противолежащие точки 18, 19 подключения полномостовой схемы 4 соединены с внешними выводами 2, 3. Точки 16, 17 подключения соединены с управляемым двунаправленным преобразователем 10 постоянного напряжения, который выполнен как комбинированный повышающе-понижающий преобразователь. Преобразователь 10 постоянного напряжения включен параллельно конденсатору 9. На противолежащей стороне подключения преобразователя 10 постоянного напряжения предусмотрена батарея 11, соединенная с преобразователем 10 постоянного напряжения. Мостовой модуль 1 имеет, кроме того, локальный блок 12 управления, например, в форме микропроцессора или логической схемы. Локальный блок 12 управления соединен с управляющими выводами полупроводниковых переключателей 5, 6, 7, 8, а также с управляющим входом преобразователя 10 постоянного напряжения. Локальный блок 12 управления выполняет управляющую программу, с помощью которой выполняется управление функциями преобразователя 10 постоянного напряжения, а также состояниями переключения полупроводниковых переключателей 5, 6, 7, 8.

Полупроводниковые переключатели 5, 6, 7, 8 полного моста 4 выполнены, соответственно, например, как IGBT. Кроме того, преобразователь 10 постоянного напряжения имеет два других электронных полупроводниковых переключателя 13, 14, которые выполнены, например, как IGBT. Выводы затвора полупроводниковых переключателей 13, 14 соединены, как и выводы затвора полупроводниковых переключателей 5, 6, 7, 8, с локальным блоком 12 управления. Локальный блок 12 управления выполняет сверх этого управление преобразователем 10 постоянного напряжения посредством соответствующего управления полупроводниковыми переключателями 13, 14. Полупроводниковые переключатели 13, 14 размещены в полумостовой схеме. При этом коллекторный вывод полупроводникового переключателя 13 соединен с точкой 16 подключения полномостовой схемы 4. Эмиттерный вывод полупроводникового переключателя 14 соединен с точкой 17 подключения полномостовой схемы 4. Эмиттерный вывод полупроводникового переключателя 13 соединен с коллекторным выводом полупроводникового переключателя 14, а также с дросселем 15. Дроссель 15 соединен с выводом батареи 11, например, с положительным полюсом. Второй вывод, например, отрицательный полюс, батареи 11 соединен с эмиттерным выводом полупроводникового переключателя 14 и тем самым с точкой 17 подключения полномостовой схемы 4.

Применение полупроводниковых переключателей 13, 14, а также дросселя 15 обеспечивает возможность простого и экономичного построения двунаправленного, управляемого преобразователя постоянного напряжения, который тем самым выполнен как повышающий преобразователь. К тому же может применяться трехфазный IGBT-модуль, который имеет уже шесть IGBT, которые соответственно попарно включены в полумостовую схему. При этом первый полумост IGBT-модуля может применяться для компоновки полупроводниковых переключателей 5, 6, второй полумост - для полупроводниковых переключателей 7, 8, а третий полумост - для полупроводниковых переключателей 13, 14.

Локальный блок 12 управления по проводу 16 соединен с центральным электронным устройством 40 управления, структура и функционирование которого будут пояснены далее. Провод 16 может быть, например, шиной данных, например, последовательной шиной данных. По проводу 16 локальный блок 12 управления получает заданные значения, на основе которых он управляет полномостовой схемой 4 и преобразователем 10 постоянного напряжения. По проводу 16 локальный блок 12 управления передает параметры на центральное электронное устройство 40 управления, например, состояние заряда конденсатора 9 и/или батареи 11.

На фиг. 2 показана вторая форма выполнения мостового модуля 1. Мостовой модуль 1 согласно фиг. 3 выполнен сопоставимо с мостовым модулем 1 согласно фиг. 1, однако без преобразователя 10 постоянного напряжения и батареи 11.

На фиг. 3 показан прямой преобразователь 20 переменного тока, с помощью которого первая трехпроводная сеть 30, например, выполненная как сеть трехфазного тока сеть энергоснабжения, соединена со второй трехпроводной сетью 31. Вторая трехпроводная сеть 31 также может быть выполнена как сеть трехфазного тока. Для соединения служат, соответственно, схемы последовательного соединения 32, 33, 34, 35, 36, 37 мостовых модулей 1, причем мостовые модули могут быть выполнены по выбору с батареей и преобразователем постоянного напряжения или без них. При этом могут использоваться мостовые модули согласно фиг. 1 и 2, также в смешанном выполнении. Последовательно с соответствующей схемой последовательного соединения 32, 33, 34, 35, 36, 37 размещен соответственно дроссель 320, 330, 340, 350, 360, 370. Устройство выполнено следующим образом.

Первая схема 32 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 300 соединения, с одной стороны, к первому проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 310 соединения, с другой стороны, к первому проводу второй трехпроводной сети 31. Вторая схема 33 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 301 соединения, с одной стороны, к второму проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 310 соединения, с другой стороны, к первому проводу второй трехпроводной сети 31. Третья схема 34 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 301 соединения, с одной стороны, к второму проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 311 соединения, с другой стороны, к второму проводу второй трехпроводной сети 31. Четвертая схема 35 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 302 соединения, с одной стороны, к третьему проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 311 соединения, с другой стороны, к второму проводу второй трехпроводной сети 31. Пятая схема 36 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 302 соединения, с одной стороны, к третьему проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 312 соединения, с другой стороны, к третьему проводу второй трехпроводной сети 31. Шестая схема 37 последовательного соединения мостовых модулей 1 подключена в точке 300 соединения, с одной стороны, к первому проводу первой трехпроводной сети 30, а в точке 312 соединения, с другой стороны, к третьему проводу второй трехпроводной сети 31. Каждая из схем 32, 33, 34, 35, 36, 37 последовательного соединения образует, соответственно, ветвь преобразователя переменного тока.

На фиг. 3 также показана нулевая точка 303 в соединении звездой первой трехпроводной сети 30 и нулевая точка 313 в соединении звездой второй трехпроводной сети 31.

Показанная на фиг. 3 топология обеспечивает возможность, при соответствующем управлении снабженных батареями мостовых модулей 1, реализацию бесперебойного электропитания в сети энергоснабжения. К тому же посредством мостового модуля 1 может осуществляться компенсация реактивной мощности, а также компенсация колебаний потребляемой энергии или, при использовании для привязки генератора к сети энергоснабжения, компенсация колебаний предоставляемой энергии. Для координации управления множеством мостовых модулей 1 предусмотрено центральное электронное устройство 40 управления, которое соединено с отдельными локальными блоками 12 управления мостовых модулей 1 посредством передачи данных. Центральное электронное устройство 40 управления управляет мостовыми постоянными напряжениями отдельных мостовых модулей, а также выходными напряжениями, выдаваемыми отдельными мостовыми модулями.

Кроме того, на фиг. 3 показаны напряжения и токи, возникающие в обеих трехпроводных сетях 30, 31, а также в прямом преобразователе переменного тока. Для последующего рассмотрения они определены следующим образом:

При этом снабженные «крышкой» параметры являются соответствующими амплитудами. ω₁ - круговая частота первой трехпроводной сети 30, ω₂ - круговая частота второй трехпроводной сети 31. ψ описывает фазовый сдвиг напряжения напряжений второй трехпроводной сети по сравнению с первой трехпроводной сетью. φ₁ описывает фазовый сдвиг между токами и напряжениями в первой трехпроводной сети, φ₂ описывает фазовый сдвиг между токами и напряжениями во второй трехпроводной сети.

Общее содержание энергии прямого преобразователя 20 переменного тока можно регулировать, например, посредством выбора действительной мощности -P_g1, отдаваемой из первой трехпроводной сети 30 в прямой преобразователь 20 переменного тока с учетом действительной мощности P_g2, отдаваемой во вторую трехпроводную сеть 31. При пренебрежении потерями в прямом преобразователе 20 переменного тока для стационарного случая справедливо:

P_g1-P_g2=0

Для дальнейшего рассмотрения различаются два случая: работа с сильно различающимися частотами в обеих трехпроводных сетях и работа с по существу равными частотами. Последующие рассмотрения относятся, кроме того, к постоянным составляющим $${\overline{P}}_{zi}$$ мощностей в ветвях 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока, которые далее различаются индексами i, равными от 1 до 6. Рассмотрение постоянных составляющих является целесообразным, так как это важно для стабильной работы преобразователя переменного тока.

Для напряжений ν_bi в ветвях i от 1 до 6 преобразователя переменного тока справедливо:

Кроме того, рассматривается разностное напряжение ν_star нулевой точки в соединении звездой, которое определяется как разность между потенциалами нулевых точек 303, 313 в соединении звездой первой и второй трехпроводных сетей 30, 31. Разностное напряжение ν_star нулевой точки в соединении звездой, если это допустимо для нагрузки, является свободно выбираемым. К тому же можно независимо от токов в трехпроводных сетях регулировать контурный ток $$i_{cir}=\frac{1}{6}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^6{i}_{bi}}$$ , то есть сумму всех токов i_b1, i_b2,…,i_b6 в ветвях 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока. С помощью разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой и контурного тока для регулирования энергии предоставляются в распоряжение два свободно выбираемых параметра.

Сначала будет рассмотрен режим работы с различными частотами. В зависимости от рабочей точки, в предположении двух симметричных трехпроводных сетей, устанавливается сдвиг энергии между соответственно двумя соседними ветвями преобразователя 20 переменного тока. Сдвиг энергии можно выразить в форме мощности P_S сдвига, которая зависит от возникающих реактивных мощностей в трехпроводных сетях 30, 31:

Среднее значение отдельных мощностей $${\overline{P}}_{zi}$$ ветвей должно для продолжительного стабильного режима работы быть равным нулю. Поэтому справедливо:

С учетом стационарного условия Р₁+Р₂=0 мощность P_S сдвига остается в качестве помеховой величины. Для ее компенсации можно реактивную мощность, отдаваемую в первую трехпроводную сеть 30, устанавливать таким образом, что она соответствует реактивной мощности, отдаваемой во вторую трехпроводную сеть 31. Это поясняется ниже более подробно со ссылкой на фиг. 4.

Фиг. 4 схематично показывает первую трехпроводную сеть 30, преобразователь 20 переменного тока и вторую трехпроводную сеть 31. Кроме того, представлено центральное электронное устройство 40 управления преобразователя 20 переменного тока. Центральное электронное устройство 40 управления может быть оснащено микропроцессором, на котором выполняется управляющая программа в форме компьютерной программы. Управляющая программа может иметь уровень 41 управления работой, который служит тому, чтобы управлять основными функциями преобразователя 20 переменного тока, например, переносом энергии от первой трехпроводной сети 30 во вторую трехпроводную сеть 31 или наоборот, согласно заданным извне критериям потребляемой энергии, предложения энергии и/или реактивной мощности. Для этого на уровень 41 управления работой извне подаются соответствующие управляющие данные, как, например, подлежащая передаче действительная мощность, подлежащая установке реактивная мощность и выходное напряжение преобразователя 20 переменного тока. Центральное электронное устройство 40 управления имеет к тому же входные схемы, через которые на устройство 40 управления подаются измеренные данные по пути 43 измерения от первой трехпроводной сети 30 и измеренные данные по пути 44 измерения от второй трехпроводной сети 31. Устройство 40 управления может сверх того определять, например, соответствующие реактивные мощности в трехпроводных сетях 30, 31. Устройство 40 управления имеет входную схему, через которую сигналы 47 обратной связи считываются из отдельных локальных блоков 12 управления мостовых модулей 1 ветвей 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока в устройство 40 управления. Устройство 40 управления имеет выходную схему, через которую выходные сигналы 46 выдаются на отдельные локальные блоки 12 управления мостовых модулей 1 ветвей 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока. Посредством этого осуществляется управление собственно основной функцией преобразователя переменного тока.

Рабочая программа также имеет уровень 42 для регулирования содержания энергии, с помощью которого выполняется способ регулирования содержания энергии, с помощью которого накопленное в каждой ветви преобразователя переменного тока соответствующее количество энергии или электрический параметр, характеризующий электрическую величину энергии, регулируется в заданный номинальный диапазон.

Номинальный диапазон может, например, быть определенным процентным диапазоном максимально накапливаемого количества энергии в соответствующем накопителе 9, 11 энергии или диапазон напряжения по отношению к максимально допустимому значению напряжения накопителя 9, 11 энергии или других компонентов. Так, может, например, задаваться, что количество энергии, накопленное в накопителе энергии, всегда лежит в диапазоне от 70% до 100% максимально накапливаемого количества энергии.

Уровень 42 для регулирования содержания энергии получает входные данные от уровня 41 управления работой, обрабатывает их и посылает управляющие данные на уровень 41 управления работой, как изображено стрелками между уровнем 41 управления работой и уровнем 42 для регулирования содержания энергии. В случае вышеупомянутого согласования реактивной мощности уровень 42 для регулирования содержания мощности принимает, например, текущую выдаваемую в первую трехпроводную сеть 30 реактивную мощность Q₁ и отдает назад в качестве выходного параметра задание для выдаваемой во вторую трехпроводную сеть 31 реактивной мощности Q₂, например, Q₂=Q₁. В этом случае предусматривается регулятор с особенно простой структурой, а именно Р-регулятор с усилением 1. В зависимости от потребности могут также использоваться другие типы регуляторов, например PI-регулятор или PID-регулятор, которые учитывают фактические содержания энергии отдельных мостовых модулей.

Уровень 41 управления работой реализует требования к установке реактивной мощности Q₂ в соответствующих управляющих информациях для отдельных локальных блоков 12 управления мостовых модулей 1.

Другая форма выполнения регулирования содержания энергии может предприниматься уровнем 42, например, посредством компенсации мощности сдвига путем запоминания определенных контурных токов и разностных напряжений нулевой точки в соединении звездой. Посредством запоминания как контурного тока, так и разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой, в отдельных ветвях преобразователя переменного тока получается соответственно дополнительный компонент для мощности ветви. Если со стороны приложения возможно допустить постоянную разность потенциалов между обеими нулевыми точками 303, 313 в соединении звездой, например, при подключении к трансформатору, то является предпочтительным в качестве контурного тока i_cir и разностного напряжения ν_star нулевой точки в соединении звездой запомнить постоянные величины I_cir, V_star. Мощность сдвига тогда определяется следующим образом:

Посредством уровня 42 для регулирования содержания энергии произведение V_star I_cir устанавливается тогда на $$\frac{\sqrt{3}}{18}(Q_1-Q_2)$$ .

Если обе нулевые точки 303, 313 в соединении звездой не могут иметь продолжительной разности потенциалов, то можно для контурного тока и разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой также применять гармонические переменные величины идентичной частоты согласно

которые ввиду их синфазности (при идентичных знаках $${\widehat{v}}_{star}$$ и $${\widehat{i}}_{cir}$$ ) или противофазности (при различных знаках $${\widehat{v}}_{star}$$ и $${\widehat{i}}_{cir}$$ ) приводят к тому же эффекту. С множителями $${\widehat{v}}_{star}$$ и $${\widehat{i}}_{cir}$$ разностного напряжения ν_star нулевой точки в соединении звездой и контурного тока i_cir справедливо:

Соответственно произведение из $${\widehat{v}}_{star}$$ и $${\widehat{i}}_{cir}$$ посредством уровня 42 для регулирования содержания энергии должно устанавливаться на $$\frac{\sqrt{3}}{18}(Q_1-Q_2)$$ .

При этом частота (ω_S), применяемая для ν_star и i_cir, должна отличаться от частот первой и второй трехпроводных сетей 30, 31.

Асимметрия в первой и второй трехпроводных сетях 30, 31 и неодинаковые потери в отдельных мостовых модулях 1 могут привести к неуравновешенностям в содержании энергии в ветвях преобразователя переменного тока. Для компенсации таких неуравновешенностей предлагается также отдельно регулировать мощность, подводимую к отдельным ветвям 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока. И это может осуществляться через соответствующий выбор контурного тока и разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой. В первой форме выполнения при этом исходят из того, что в качестве разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой запоминается постоянное напряжение V_star. Токи, протекающие в отдельных ветвях 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока, накладываются на запомненные компоненты тока $${\widehat{i}}_{cir,n,m}$$ :

Тогда для мощностей $${\overline{P}}_{zi}$$ ветвей получается:

Матрица A_cir является инвертируемой, что используется для регулирования, описанного далее со ссылкой на фиг. 5. Этот тип регулирования имеет преимущество, состоящее в том, что все содержание энергии в ветвях преобразователя переменного тока можно регулировать посредством выбора контурного тока и отбора энергии из сети.

Фиг. 5 показывает, начиная с левой стороны, шесть суммирующих блоков 51, которые ассоциированы с соответствующей ветвью 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока. На суммирующие блоки 51 подаются входные сигналы от локальных блоков 12 управления мостовых модулей 1, например, через световод. Каждый суммирующий блок 51 получает в качестве входных сигналов 50 от каждого мостового модуля 1 соответствующей ветви 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока электрический параметр, характеризующий накопленное в соответствующем мостовом модуле 1 количество энергии. В случае мостовых модулей без батареи, как представлено на фиг. 2, в качестве входной величины передается, например, измеряемое на конденсаторе 9 напряжение или квадрат напряжения в качестве указателя для накопленного в конденсаторе количества энергии. В случае мостового модуля с батареей, как представлено на фиг. 1, передается, например, параметр, характеризующий мгновенный заряд батареи 11. В каждом суммирующем блоке 51 поданные на суммирующие блоки 51 входные величины суммируются с накоплением и пересчитываются в промежуточное содержание энергии $$\overline{E_{zi}}$$ . В принципе, существующие на выходах суммирующих блоков 51 величины 52 могли бы с помощью регулятора, например, выполненного как PI-регулятор, пересчитываться в требуемые мощности $${\overline{P}}_{zi}$$ ветвей. В этом случае существующие на выходах суммирующих блоков 51 величины 52 соответствуют вектору, стоящему слева от знака равенства в уравнении (18). В перемножающем блоке 53 отдельные мощности $${\overline{P}}_{zi}$$ ветвей умножаются на инвертированную матрицу $$A_{cir}^{-1}$$ . Вектор 54 выходных данных, получаемый из перемножающего блока 53, затем подается непосредственно на блоки 57. На основе линейности преобразования в блоке 53 также возможно регулятор 56 применять только после выполненного в блоке 53 преобразования. Этот вариант более подробно показан на фиг. 5. Здесь преобразованные содержания энергии с блока 53 подаются на шесть регуляторов 56, причем верхние четыре регулятора 56 служат для регулирования обмена энергией, который требуется из-за того, что в ветвях 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока возникают различные потери, в то время как регулятор 58 служит для регулирования мощности сдвига между соседними ветвями преобразователя переменного тока, и регулятор 59 - для регулирования полного содержания энергии прямого преобразователя 20 переменного тока. Регуляторы 56, 58, 59 могут быть выполнены, например, как PI-регуляторы. На регуляторы 56, 58 59 дополнительно подаются номинальные параметры 55, например заданный номинальный диапазон содержания энергии, в который следует выполнять регулирование. Номинальные параметры для отдельных регуляторов 56, 58 59 могут быть различными. За счет различного выбора параметров регулирования, то есть, например, P-составляющей и I-составляющей для верхних четырех регуляторов 56, с одной стороны, и, соответственно, для регуляторов 58 и 59, с другой стороны, можно учесть различную динамику в возникновении отклонений фактического значения содержания энергии от его номинального значения. Как следствие, такое размещение регулятора 56 после блока 53 по сравнению с размещением перед блоком 53 является предпочтительной. При этом регулятор 58 служит для того, чтобы сдвиг энергии между соседними ветвями преобразователя переменного тока регулировать для соответственно выбранной рабочей точки. Регулятор 59 служит тому, чтобы полное содержание энергии регулировать в выбранной рабочей точке преобразователя переменного тока.

Выходные величины регулятора 56 подаются на соответствующие блоки 57 согласования диапазонов. В блоках 57 согласования диапазонов полученные величины умножаются или делятся на соответствующие постоянные, не изменяющиеся параметры регулирования. При описанном регулировании на основе контурного тока, например, напряжения $${\widehat{v}}_{g1}$$ и $${\widehat{v}}_{g2}$$ являются постоянными значениями, которые не должны регулироваться. Относительно них регулируются подлежащие регулированию составляющие контурного тока $${\widehat{i}}_{cir\mathrm{,1,1}}$$ , $${\widehat{i}}_{cir\mathrm{,1,2}}$$ , $${\widehat{i}}_{cir\mathrm{,2,1}}$$ и $${\widehat{i}}_{cir\mathrm{,2,2}}$$ в верхних четырех блоках 57 согласования диапазонов. В блоке 70 вырабатываются и выдаются постоянные составляющие I_cir и V_star. Через согласование диапазонов в блоке 71 определяется номинальное значение для тока действительной мощности во второй трехпроводной сети 31. В предпочтительном варианте выполнения перед блоком 70 включен блок 60 предварительного управления. Перед блоком 70 включен блок 61 предварительного управления. С помощью блоков 60, 61 предварительного управления на регулирование с помощью регуляторов 58, 59 может накладываться быстрая настройка на измененные условия, как, например, скачки номинального значения в потребности энергоснабжения. Это имеет преимущество, состоящее в том, что регуляторы 58, 59 относительно их параметров регулирования могут быть рассчитаны на оптимальное регулирование при стационарных условиях, но все же могут быстро реагировать на изменения номинального значения большего масштаба.

Контурные токи, поступающие из верхних четырех блоков 57, в модулирующих блоках 62 модулируются соответствующим переменным сигналом. Поступающие из блоков 62, 70 величины в блоке 63 суммируются, в результате чего в качестве выходной величины 80 получается подлежащий регулированию контурный ток i_cir,Soll. На блок 63 к тому же подается определенная в блоке 70 постоянная составляющая I_cir контурного тока. Из блока 70 в качестве выходной величины 81 поступает постоянная составляющая разностного напряжения V_star нулевой точки в соединении звездой. С блока 71 в качестве выходной величины 82 выдается номинальное значение тока действительной мощности. Фиг. 6 показывает другие части регулятора, на который подаются ранее описанные выходные величины 80, 81, 82. Подлежащий регулированию контурный ток 80 подается на регулятор 66 тока. На регулятор 66 тока также подаются номинальное значение действительного тока 82, измеренные фактические токи 83, а также другие номинальные значения 64, 65, как, например, номинальные токи в первой трехпроводной сети 30 и номинальное значение реактивных токов во второй трехпроводной сети 31. Отсюда регулятор 66 тока формирует выходные сигналы 67, которые характеризуют номинальные напряжения в ветвях преобразователя переменного тока. Номинальные напряжения 67 подаются на устройство управления 68 преобразователя переменного тока. На устройство управления 68 преобразователя переменного тока также подается постоянная составляющая разностного напряжения V_star нулевой точки в соединении звездой.

Устройство управления 68 преобразователя переменного тока управляет разделением на отдельные ветви 32, 33, 34, 35, 36, 37 преобразователя переменного тока или локальные блоки 12 управления. Устройство управления 68 преобразователя переменного тока служит для распределения поданных входных величин, то есть напряжением, запоминаемым в ветви преобразователя переменного тока. Для этого могут применяться уже известные способы. Так, например, можно, в зависимости от направления протекания тока в рассматриваемой ветви, сначала осуществлять активирование мостового модуля с наименьшим или с набольшим напряжением промежуточного контура. Другой предпочтительный способ описан в публикации M. Dong, B. Wu, N. Zargari, J. Rodriguez, “A novel digital modulation scheme for multilevel cascaded h-bridge inverters”, Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE, 2008, pp. 1675-1680. Из устройства управления 68 преобразователя переменного тока на отдельные локальные блоки 12 управления подаются управляющие данные 69.

Аналогично использованию компонентов сетевой частоты в контурном токе также возможно регулирование содержания энергии через компоненты сетевой частоты в разностном напряжении нулевой точки в соединении звездой. Для этого также может использоваться описанная со ссылкой на фиг. 5 структура регулирования, причем в этом случае справедливо:

Как A_cir, A_star также может инвертироваться. Оба способа могут также использоваться объединенным образом.

Следует сослаться на то, что применяемые фазовые сдвиги между отдельными компонентами разностного напряжения нулевой точки в соединении звездой или контурного тока являются только примерами; здесь, в зависимости от системы трехфазного тока, могут использоваться два любых, отличающихся друг от друга угла сдвига. Тогда могут быть в результате получены две другие матрицы A_star или A_cir, которые также являются инвертируемыми и могут использоваться для регулирования, как те, которые здесь описаны.

При работе двух трехпроводных сетей с идентичными сетевыми частотами можно в принципе использовать одинаковое описанное со ссылками на фиг. 4 и 5 регулирование, причем необходимо учитывать следующее. В противоположность работе обеих трехпроводных сетей с различными частотами, сетевые напряжения или сетевые токи при ω₁=ω₂ оказывают взаимное влияние, так что в результате получаются зависимые от разностного угла ψ средние мощности в отдельных ветвях. Как в вышеописанном случае различных частот, и этот случай приводит лишь к единственной мощности P_S сдвига, которая с чередующимся знаком возникает в соседних ветвях. При $$\mu =\frac{{\widehat{v}}_{g2}}{{\widehat{v}}_{g1}}$$ в качестве сокращения мощность P_S сдвига составляет

Для случая Р₂ = -Р₁ мощность P_S сдвига, в зависимости от угла нагрузки, путем выбора реактивной мощности может в питающей трехпроводной сети 30 компенсироваться посредством

Так как уравнение (23) имеет два положения полюсов, это приводит к ограничениям диапазона значений регулирования. Компенсация мощности сдвига посредством контурного тока и напряжения нулевой точки в соединении звездой, напротив, зависит от рабочей точки при соответствующем выборе параметров преобразователя переменного тока в непрерывном диапазоне значений. В этом случае справедливо:

или при применении переменных параметров

Представленные на фиг. 5 блоки 51, 53, 56, 57, 58 могут быть реализованы в форме аппаратных средств или программного обеспечения, а также в их комбинации.

1. Способ управления прямым преобразователем (20) переменного тока, который выполнен с возможностью соединения первой трехпроводной сети (30) со второй трехпроводной сетью (31), причем прямой преобразователь (20) переменного тока имеет шесть последовательно соединенных ветвей (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока, в которых предусмотрены накопители (9, 11) энергии, причем этот способ включает в себя способ управления (41) работой преобразователя переменного тока, посредством которого управляется перенос энергии от первой трехпроводной сети (30) ко второй трехпроводной сети (31) и обратно согласно критериям потребляемой энергии, предложения энергии и/или реактивной мощности, отличающийся тем, что этот способ включает в себя способ регулирования (42) содержания энергии, с помощью которого соответствующая электрическая величина энергии, накопленная в каждой соответствующей ветви (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока, или электрический параметр, характеризующий электрическую величину энергии, регулируется в заданный номинальный диапазон.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ для регулирования (42) содержания энергии осуществляет регулирование реактивной энергии (Q₁, Q₂), генерируемой прямым преобразователем (20) переменного тока в первой трехпроводной сети (30) и/или второй трехпроводной сети (31).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что реактивная мощность (Q₁), отдаваемая в первую трехпроводную сеть (30), соответствуетреактивной мощности (Q₂), отдаваемой во вторую трехпроводную сеть (31).

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что способ регулирования (42) энергии управляет контурным током (i_cir), который протекает в круговой форме по всему последовательному соединению шести ветвей (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока, и/или разностным напряжением (v_star) нулевой точки в соединении звездой, которое возникает между нулевыми точками (303, 313) в соединении звездой первой и второй трехпроводной сети (30, 31).

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что разностное напряжение (v_star) нулевой точки в соединении звездой запоминают как постоянное напряжение и контурный ток (i_cir) запоминают как постоянный ток.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что запоминают контурный ток (i_cir) и разностное напряжение (v_star) нулевой точки в соединении звездой, которые синфазны или противофазны и одинаковы по частоте друг с другом, причем частота отличается от обеих частот (ω₁, ω₂) первой и второй трехпроводной сети (30, 31).

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на существующий контурный ток (i_cir) накладывают составляющие тока в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие тока в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

8. Способ по любому из пп. 5, 6, отличающийся тем, что на существующий контурный ток (i_cir) накладывают составляющие тока всетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие тока в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

9. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на существующее разностное напряжение (v_star) нулевой точки в соединении звездой накладывают составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

10. Способ по любому из пп. 5, 6, отличающийся тем, что на существующее разностное напряжение (v_star) нулевой точки в соединении звездой накладывают составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

11. Способ по п. 4, отличающийся тем, что
а) на существующий контурный ток (i_cir) накладывают составляющие тока в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие тока в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31) и
b) на существующее разностное напряжение (v_star) нулевой точки в соединении звездой накладывают составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

12. Способ по любому из пп. 5, 6, отличающийся тем, что
а) на существующий контурный ток (i_cir) накладывают составляющие тока в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводнойсети (30) и/или составляющие тока в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31) и
b) на существующее разностное напряжения (v_star) нулевой точки в соединении звездой накладывают составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₁) первой трехпроводной сети (30) и/или составляющие напряжения в сетевой частоте (ω₂) второй трехпроводной сети (31).

13. Способ по любому из пп. 1-3, 5-7, 9, 11, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (59) регулируют полное содержание энергии прямого преобразователя (20) переменного тока в соответствующей рабочей точке.

14. Способ по п. 4, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (59) регулируют полное содержание энергии прямого преобразователя (20) переменного тока в соответствующей рабочей точке.

15. Способ по п. 8, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (59) регулируют полное содержание энергии прямого преобразователя (20) переменного тока в соответствующей рабочей точке.

16. Способ по п. 10, отличающийся тем, что имеется несколькорегуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (59) регулируют полное содержание энергии прямого преобразователя (20) переменного тока в соответствующей рабочей точке.

17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (59) регулируют полное содержание энергии прямого преобразователя (20) переменного тока в соответствующей рабочей точке.

18. Способ по любому из пп. 1-3, 5-7, 9, 11, 14-17, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (58) регулируют сдвиг энергии между соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

19. Способ по п. 4, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (58) регулируют сдвиг энергии между соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

20. Способ по п. 10, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (58) регулируют сдвиг энергии между соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

21. Способ по п. 12, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (58) регулируют сдвиг энергии между соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

22. Способ по п. 13, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в регуляторе (58) регулируют сдвиг энергии между соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

23. Способ по любому из пп 1-3, 5-7, 9, 11, 14-17, 19-22, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

24. Способ по п. 4, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

25. Способ по п. 6, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

26. Способ по п. 8, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

27. Способ по п. 10, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

28. Способ по п. 12, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

29. Способ по п. 13, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметров регулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

30. Способ по п. 18, отличающийся тем, что имеется несколько регуляторов (56, 58, 59) для регулирования различных параметроврегулирования прямого преобразователя (20) переменного тока, и в четырех регуляторах (56) регулируют баланс энергии между не только соседними ветвями (32, 33, 34, 35, 36, 37) преобразователя переменного тока.

31. Электронное устройство (40) управления для прямого преобразователя (20) переменного тока, которое выполнено с возможностью осуществления способа по любому из пп. 1-30.

32. Прямой преобразователь (20) переменного тока с устройством (40) управления для него по п. 31.

33. Машиночитаемый носитель с сохраненной на нем компьютерной программой со средствами программного кода, которая при исполнении предписывает вычислительному средству осуществлять способ по любому из пп. 1-30.